Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ КАНАЛАМИ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Изобретение относится к области электропривода и может использоваться при автоматизации технологических процессов для управления группой параллельно работающих асинхронных электродвигателей.

Известна система управления с автоматическим резервированием (Цытович Л.И. А.С. 1294152 СССР, G05B 9/03, H05K 10/100. Резервированная система автоматического управления электроприводом. №3920771/24, заявлено 02.08.85, опубл. 07.02.87, бюл. №5), содержащая интегрирующие развертывающие преобразователи, блоки диагностирования, датчики обратных связей, ключевой коммутатор, исполнительный механизм. Недостатком устройства является его недостаточно высокая надежность, вызванная отсутствием средств диагностирования ключевых коммутаторов.

Известен электропривод (А.С. 913824 СССР, G05B 11/01. Следящий электропривод / Цытович Л.И. (СССР).- №3007071/24, заявлено 19.11.80, опубл. 15.03.82, бюл. №10), отличающийся повышенной помехоустойчивостью, в состав которого входят электродвигатель, широтно-импульсный преобразователь на базе интегратора и релейного элемента. Недостатком устройства является низкая надежность по причине отсутствия резервных каналов преобразования управляющих воздействий и средств автоматического диагностирования.

Известен многозонный интегрирующий развертывающий преобразователь (А.С. 1283801 СССР, G06G 7/12. Развертывающий преобразователь / Цытович Л.И. (СССР). - №3945653/24, заявлено 22.05.85, опубл. 15.01.87, бюл. №2), содержащий сумматоры, группу параллельно работающих интеграторов, нечетное число релейных элементов.

Устройство характеризуется высокой надежностью в работе и относится к классу систем с самодиагностированием активных компонентов схемы и автоматическим вводом в работу работоспособных элементов.

Недостатком известного технического решения является невозможность автоматического ввода в работу электродвигателей, либо других исполнительных механизмов, управляемых выходными сигналами релейных элементов. В результате, обладая собственной высокой надежностью, известное устройство не в состоянии обеспечить автоматическое резервирование управляемых им внешних силовых агрегатов.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является система управления по патенту RU №2312452 «Система управления группой электроприводов водяных насосов», опубл. 10.12.2007, бюл. №34. Система управления содержит последовательно включенные источник сигнала задания, многозонный развертывающий преобразователь, состоящий из первого сумматора, интегратора, выход которого подключен к группе из n-го числа релейных элементов, причем n≥3 - нечетное число, выходы которых подключены к соответствующим входам второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, а также n≥3 - нечетное число групп, каждая из которых состоит из последовательно соединенных регулятора напряжения асинхронного электродвигателя и водяного насоса, выходы которых подключены к общей водяной магистрали, причем в каждую из указанных групп из n≥3 - нечетного числа последовательно введены сглаживающий фильтр и дополнительный релейный элемент, причем вход каждого из сглаживающих фильтров подключен к выходу соответствующего релейного элемента, а выход каждого из дополнительных релейных элементов соединен с входом соответствующего регулятора напряжения.

Недостатком устройства-прототипа является то, что при выходе из строя источника электропитания информационной части системы, в частности многозонного регулятора, может произойти включение всех исполнительных механизмов, что приведет к повышению давления в выходной магистрали и ее разрыву.

Таким образом, устройство-прототип имеет недостаточно высокую надежность при работе в составе системы управления, например, подачей воды.

В основу изобретения положена техническая задача повышения надежности работы системы управления группой электроприводов водяных насосов.

Предлагаемая система управления группой электроприводов с параллельными каналами регулирования содержит последовательно включенные источник сигнала задания, многозонный развертывающий преобразователь, состоящий из первого сумматора, интегратора, выход которого подключен к группе из n-го числа релейных элементов, причем n≥3 - нечетное число, выходы которых подключены к соответствующим входам второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, а также n≥3 - нечетное число групп, каждая из которых состоит из последовательно соединенных сглаживающего фильтра, дополнительного релейного элемента, регулятора напряжения асинхронного электродвигателя с входом аварийного отключения и водяного насоса, выход которого подключен к общей водяной магистрали, и ОТЛИЧАЕТСЯ от известной тем, что в нее введено n≥3 - нечетное число преобразователей «частота - логический сигнал» и логический элемент «nИЛИ», причем входы преобразователей «частота - логический сигнал» соединены с выходом соответствующего из группы n≥3 релейных элементов, а выходы преобразователей «частота - логический сигнал» подключены к соответствующим входам логического элемента «nИЛИ», выход которого подключен к входу аварийного отключения регуляторов напряжения.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что в систему управления введено n≥3 - нечетное число преобразователей «частота - логический сигнал» и логический элемент «nИЛИ», причем входы преобразователей «частота - логический сигнал» соединены с выходом соответствующего из группы n≥3 релейных элементов, а выходы преобразователей «частота - логический сигнал» подключены к соответствующим входам логического элемента «nИЛИ», выход которого подключен к входу аварийного отключения регуляторов напряжения. При этом, в случае отказа источника электропитания многозонного регулятора, включающего первый и второй сумматоры, интегратор и группу из n-го нечетного числа (n≥3) релейных элементов, происходит аварийное отключение от сети регуляторов напряжения и принудительный останов исполнительных асинхронных электродвигателей. Тем самым исключается возможность появление на объекте кратной неисправности.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

Фиг. 1 - структурная схема предлагаемого устройства;

Фиг. 2 - структура и диаграммы сигналов преобразователей «частота -логический сигнал»;

Фиг. 3 - характеристики релейных элементов;

Фиг. 4 - временные диаграммы сигналов предлагаемого устройства.

В состав устройства (фиг. 1) входят сумматоры 1, 2, интегратор 3, релейные элементы 4-1…4-n, сглаживающие фильтры 5-1…5-n, дополнительные релейные элементы 6-1…6-n, регуляторы напряжения (РН) 7-1…7-n, исполнительные асинхронные электродвигатели 8-1…8-n, водяные насосы 9-1…9-n, отводящая водяная магистраль 10, преобразователи «частота - логический сигнал» (ЧЛС) 11-1…11-n, логический элемент «nИЛИ» 12.

ЧЛС 11-1…11-n содержат (фиг. 2а) делитель частоты 13, пропорционально-дифференцирующее звено 14 и демодулятор 15.

РН 7-1…7-n выполнены по типовой структуре (см., например, Цытович Л.И., Гафиятуллин Р.Х., Маурер В.Г., Рахматулин P.M. Интегрирующая развертывающая система импульсно-фазового управлеяния тиристорными преобразователями для электроприводов с источниками питания ограниченной мощности. Электротехнические системы и комплексы. Межвузовский сб. науч. трудов, МГМА, Магнитогорск, 1996, с. 29-38; Гафиятуллин Р.Х., Цытович Л.И., Маурер В.Г., Рахматулин P.M. Комплекс тиристорных преобразователей для плавного пуска асинхронных электродвигателей // Научно-техн. семинар «75 лет отечественной школы электропривода», тезисы докладов, С.-Петербург, 1997, с. 50.) и содержат вход аварийного отключения, при подаче на который сигнала логического «0» РН отключается от сети.

Элементы предлагаемого устройства имеют следующие характеристики.

Сумматоры 1, 2 реализуют линейную неинвертирующую характеристику «вход-выход» и единичный коэффициент передачи по каждому из входов.

Интегратор 3 реализуется по типовой схеме на операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи. При скачке входного сигнала, например, положительной полярности, выходной сигнал интегратора 3 изменяется линейно со знаком, противоположным знаку входного воздействия.

Релейные элементы (РЭ) 4-1…4-n имеют симметричную относительно нуля неинвертирующую петлю гистерезиса (фиг. 3, а) с порогами переключения ±b_i. При этом выходной сигнал релейных элементов 4-1…4-n меняется дискретно в пределах ±A/n, где n≥3 - нечетное число.

Дополнительные релейные элементы 6-1…6-n выполнены с характеристикой, показанной на фиг. 3б, и имеют пороговые уровни срабатывания C₁>C₂. Выходной сигнал релейных элементов 6-1…6-n меняется дискретно от «0» до «+A».

Пуск РН 7-1…7-n (фиг. 1) производится сигналом «+A» (логическая «1»). Условием пуска является также наличие сигнала «1» на выходе логического элемента 12 функции «ИЛИ», который поступает на входы аварийного отключения РН 7-1…7-n. На интервале пуска ток статора электродвигателей 8-1…8-n ограничивается на заранее заданном уровне за счет контура обратной связи по току статора и интегрального регулятора тока РН 7-1…7-n. Переход РН 7-1…7-n в закрытое состояние и торможение исполнительных механизмов 8-1…8-n и 9-1…9-n осуществляется при сигнале логического сигнала «0» на входе аварийного отключения РН.

Делитель частоты 13 (фиг. 2а) переключается, например, по переднему фронту импульсов с выхода соответствующего из релейных элементов 4-1…4-n. Пропорционально-дифференцирующее звено 14 пропускает на выход только переменную составляющую выходных импульсов делителя частоты 14, который имеет коэффициент деления, равный 2,0. Демодулятор 15 осуществляет выпрямление переменного сигнала с выхода пропорционально-дифференцирующего звена 14.

На фиг. 1-4 введены следующие обозначения:

X_ВХ - входной сигнал системы управления;

Y_И(t) - выходной сигнал интегратора 3;

Y_Р1(t), Y_Р2(t), Y_Р3(t) - выходные сигналы релейных элементов 4-1, 4-2, 4-3 соответственно;

±b₁, ±b₂, ±b₃ - пороги переключения релейных элементов 4-1, 4-2, 4-3 соответственно;

±A/3 - амплитуда выходных импульсов релейных звеньев 4-1, 4-2, 4-3 и сумматора 2;

±A - максимальная амплитуда выходного сигнала интегратора 3 и сумматора 2;

Y_Фl(t), Y_Ф2(t), Y_Ф3(t) - выходные сигналы сглаживающих фильтров 5-1, 5-2, 5-3 соответственно;

Y₀₁, Y₀₂, Y₀₃ - выходные сигналы дополнительных релейных элементов 6-1, 6-2, 6-3 соответственно;

Y_ВЫХ(t) - выходной сигнал сумматора 2;

Y₀ - среднее значение импульсов на выходе сумматора 2;

Υ_H - максимальный выходной сигнал интегратора 3;

Y_ДЧ(t) - выходной сигнал делителя частоты (счетного триггера) 13;

Y_Д(t) - выходной сигнал пропорционально-дифференцирующего звена 14;

Y_В(t) - выходной сигнал демодулятора (выпрямителя) 15;

T_0i - период выходных импульсов релейных элементов 4-1, 4-2, 4-3 и сумматора 2;

T_И - постоянная времени интегратора 3;

T₁, T₂ - постоянные времени пропорционально-дифференцирующего звена 14.

Принцип работы устройства следующий.

Звенья 1, 2, 4-1…4-3 (фиг. 1) в совокупности образуют многозонный интегрирующий развертывающий регулятор (MP) с частотно-широтно-импульсной модуляцией. В общем случае число релейных элементов должно удовлетворять условию n≥3 - нечетное число, причем для получения требуемого числа «k» модуляционных зон необходимо n=2k-1. В дальнейшем ограничимся количеством релейных элементов n=3.

Рассмотрим работу системы без элементов 11-1…11-3, считая, что на вход аварийного отключения РН 7-1…7-3 подан разрешающий сигнал «1», например, от собственного источника электропитания системы управления.

Два из исполнительных каналов, например 5-1, 6-1, 7-1, 8-1, 9-1 и 5-2, 6-2, 7-2, 8-2, 9-2 являются резервными, а третий - 5-3, 6-3, 7-3, 8-3, 9-3 - рабочим. Здесь необходимо отметить, что деление электроприводов на рабочий и резервный является условным, так как при соответствующем выборе параметров системы, как будет показано ниже, любой из исполнительных каналов может оказаться как в роли рабочего, так и резервного электропривода.

Релейные элементы 4-1…4-3 имеют симметричную относительно нулевого уровня неинвертирующую петлю гистерезиса и пороги переключения, удовлетворяющие условию |±b₁|<|±b₂|<|±b₃| (фиг. 4б). Выходной сигнал всех релейных элементов меняется дискретно в пределах ±A/n (в данном случае ±A/3). Здесь и далее считаем, что изменение уровня входного сигнала совпадает с началом очередного цикла развертывающего преобразования (смены знака производной выходного сигнала интегратора 3).

При включении MP и нулевом входном сигнале X_ВХ РЭ 4-1…4-3 устанавливаются произвольным образом, например, в состояние +A/3 (фиг. 4в-д). Под действием сигнала развертки Y_И(t) с выхода интегратора 3 (фиг. 4б) происходит последовательное переключение в положение -A/3 блоков 4-1, 4-2 (фиг. 4в, г, моменты времени t₀₁, t₀₂), после чего меняется направление развертывающего преобразования, и сигнал Y_И(t) нарастает в положительном направлении. Начиная с момента времени выполнения условия Y_И(t)=b₁, MP входит в режим устойчивых автоколебаний, когда амплитуда сигнала развертки Y_И(t) ограничена зоной неоднозначности релейного элемента 4-1, имеющего минимальное значение порогов переключения, а релейные элементы 4-2 и 4-3 находятся в статических и противоположных по знаку выходных сигналов Y_Р2(t), Y_Р3(t) состояниях (фиг. 4г, д). Выходная координата Y_ВЫХ(t) MP формируется за счет переключений РЭ 4-1 (фиг. 4в) в первой модуляционной зоне, ограниченной пределами ±A/3 (фиг. 4е). При отсутствии X_ВХ (фиг. 4a, t<t₀) среднее значение Y₀ импульсов Y_ВЫХ(t) равно нулю.

Наличие входной координаты X_ВХ<(A/3) (фиг. 4а, ) влечет за собой изменение частоты и скважности импульсов Y_ВЫХ(t), так как в интервале t₁ (фиг. 4в) развертка Y_И(t) (фиг. 4б) изменяется под действием разности сигналов, подаваемых на сумматор 1 (фиг. 4а, е), а в интервале t₂ - dY_И(t)/dt зависит от суммы этих воздействий. В результате Υ₀=X_ВХ (фиг. 4е).

Предположим, что в момент времени сигнал X_ВХ увеличился дискретно до величины (A/3)<X_ВХ<A (фиг. 4а). Это нарушает условия существования режима автоколебаний в первой модуляционной зоне, и MP переходит на этап переориентации состояний РЭ 4-2, 4-3, который заканчивается в момент времени t₀₃, когда РЭ 4-3 переключается в идентичное положение -A/3 (фиг. 4д). Координата Y_ВЫХ(t) достигает уровня -A (фиг. 4е), и MP переходит во вторую модуляционную зону, где в интервалах t₁, t₂ (фиг. 4в) скорость формирования сигнала развертки Y_И(t) (фиг. 4б) также определяется разностью или суммой сигналов, воздействующих на сумматор 1. При этом сигнал Y₀ включает постоянную составляющую -A/3 и среднее значение импульсного потока Y_ВЫХ(t) второй модуляционной зоны (фиг. 4е). Переход MP из одной модуляционной зоны в другую для малых приращений координаты X_ВХ сопровождается переходом системы через характерные точки с нулевым значением частоты несущих колебаний (режим частотно-нулевого сопряжения модуляционных зон).

Модуляционная и амплитудная характеристики MP для любой i-й модуляционной зоны определяются соотношениями

где - нормированное значение порога переключения b₁; - нормированная величина входного сигнала MP, причем ; n - количество релейных элементов, причем n≥3 - нечетное число; Z_i=1, 2, 3… - порядковый номер модуляционной зоны; γ=t₁/(t₁+t₂) - скважность выходных импульсов MP; ±A - максимальная амплитуда выходного сигнала MP; T_И - постоянная времени интегратора 3.

Запуск РН 7-1…7-3 производится сигналом положительной полярности (логическая «1») с выхода соответствующего из дополнительных релейных элементов 6-1…6-3 (фиг. 1). Применительно к рассмотренной ситуации, в рабочем состоянии оказывается канал 5-3, 6-3, 7-3, 8-3, 9-3, так как на выходе РЭ 6-3 формируется «1» (фиг. 4д, интервал времени t≤t₀₃), а каналы 5-1, 6-1, 7-1, 8-1, 9-1 и 5-2, 6-2, 7-2, 8-2, 9-2 - выключены напряжением «0» с выходов фильтров 5-1, 5-2, что обеспечивается отрицательным по знаку средним значением импульсного сигнала Y_Р1(t) (фиг. 4в) и «отрицательным» статическим состоянием релейного элемента 4-2 (фиг. 4г).

Ситуация с помощью источника входного сигнала может быть изменена. Например, если MP будет работать в первой модуляционной зоне, а напряжение X_ВХ будет выбрано по знаку отрицательным и меньшим по модулю, чем -A/3, то релейный элемент 4-1, находясь в режиме автоколебаний, сформирует на выходе импульсы со средним значением положительного знака. Сигнал с выхода фильтра 5-1 будет удовлетворять условию Y₀₁>C₂, что приведет к включению канала 5-1, 6-1, 7-1, 8-1, 9-1. В этом случае в выключенном положении будет находиться только каскад 5-2, 6-2, 7-2, 8-2, 9-2.

При условии |-A/3|<|-X_ВХ|<|-A| сложится ситуация, при которой все электроприводы будут включены, так как (Y₀₂=Y₀₃=+A/3)>C₂, и среднее значение выходного сигнала релейного элемента 4-1 также положительное. В результате на выходе фильтра 5-1 сформируется напряжение Y₀₁>C₂. При этом дополнительные релейные элементы 6-1…6-3 перейдут в положение логической «1», запустив тем самым РН 7-1…7-3.

Таким образом, в общем случае число включенных исполнительных каналов регулирования определяется знаком и уровнем входного сигнала MP.

Рассмотрим работу системы с учетом ЧЛС 11-1…11-3 (фиг. 1).

Каждый из блоков 11-1…11-3 предназначен для диагностики состояния соответствующего из релейных элементов 4-1…4-3 MP. Принцип действия блоков 11-1…11-3 идентичен, поэтому рассмотрим работу ЧЛС 11-1.

Делитель частоты 13 (фиг. 2а) переключается, например, по переднему фронту сигнала с выхода релейного элемента 4-1 (фиг. 2б, в) и формирует на выходе переменный импульсный сигнал с нулевым средним значением (фиг. 2в). Пропорционально-дифференцирующее звено 14 передает этот переменный сигнал с минимальными искажениями (фиг. 2 г) на вход демодулятора 15, где он преобразуется в постоянное напряжение логической «1» (фиг. 2д). Таким образом, ЧЛС частоту импульсов на выходе релейных элементов 4-1…4-3 в логический сигнал «1» (частота есть), либо «0» (частота отсутствует).

При наличии автоколебательного процесса в MP, т.е. при его работоспособности, на выходе одного из блоков 11-1…11-3 всегда присутствует сигнал «1», который через логический элемент «nИЛИ» 12 передается на входы аварийного отключения РН 7-1…7-3 (фиг. 1) и разрешает их включение. Но при определенном виде неисправности в MP система не должна включаться. Одной из таких неисправностей является выход из строя источника электропитания MP.

Электропитание MP производится от источника ±U_пит, но при неисправном состоянии этого источника возможна ситуация, когда присутствует +U_пит, а напряжение -U_пит=0. Тогда автоколебания в MP прекращаются, так как релейные элементы 4-1…4-3 устанавливаются в положение +A/n, что приводит к запуску всех каналов регулирования (5-1, 6-1, 7-1, 8-1, 9-1), (5-2, 6-2, 7-2, 8-2, 9-2), (5-3, 6-3, 7-3, 8-3, 9-3). В результате давление в магистрали 10 может резко увеличиться, что приводит к ее разрыву.

Эта ситуация ликвидируется с помощью блоков 11-1…11-3 и 12. При отсутствии автоколебательного режима в MP блоки 11-1…11-3 переходят в статическое нулевое состояние даже, если они питаются от того же источника, что и MP. Логический элемент 12 также переключается в «0». Сигнал этого уровня запрещает подачу выходных сигналов релейных элементов 6-1…6-3 на управляющий вход РН. Тогда РН 7-1…7-3 и исполнительные механизмы 8-1…8-3 и 9-1…9-3 выключаются, предотвращая тем самым аварию на магистрали 10. Если возникает ситуация +U_пит=0, а напряжение -U_пит соответствует заданному значению, то система также выключается. Во-первых, элемент «nИЛИ» 12 обесточивается, так как логика питается от источника +U_пит, а во-вторых, при любой ситуации потеря автоколебательного режима в MP вызывает появление сигнала «0» на выходе блоков 11-1…11-3 (фиг. 1).

Таким образом, введение в схему системы управления блока 12 повышает надежность ее работы при отказах источника электропитания MP.